24.01.2022 - Chinese Academy of Sciences

Selektive Membran könnte Dual-Ionen-Batterien der Realität näher bringen

Lösung für ein "notorisches Problem" gefunden

Lithium-Ionen-Batterien sind relativ sicher, langlebig, schnell aufladbar und besser für die Umwelt als nicht aufladbare Batterien - richtig? Nicht ganz. Der Schaukelstuhl-Mechanismus, der die kommerzielle Stromspeicherung ermöglicht, verwendet in der Regel Seltene Erden, wie Nickel und Kobalt.

Forscher sind seit langem auf der Suche nach alternativen Batterien, die alle Vorteile der Lithium-Ionen-Versionen aufweisen, aber auch ökologische und wirtschaftliche Vorteile bieten.

Nun ist ein Team des Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology (QIBEBT) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) einem verbesserten Ansatz auf der Spur. Sie haben eine Lösung für ein "notorisches Problem" gefunden, das beim Auf- und Entladen der Batterie, dem so genannten "Cycling", zu Fehlfunktionen des Systems führt.

Dual-Ionen-Batterien (DIBs) haben aufgrund ihrer Nicht-Übergangsmetall-Konfiguration, ihrer Wirtschaftlichkeit und ihrer Umweltfreundlichkeit große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. "Die praktische Umsetzung der DIB-Technologie stagniert nahezu, vor allem wegen des schnellen Versagens der Batterien während der Hochspannungszyklen", so der Erstautor JIANG Hongzhu, Doktorand am QIBEBT, CAS.

In DIBs bewegen sich positiv und negativ geladene Ionen gleichzeitig vom Elektrolyten - einer Flüssigkeit oder einem Film, der die Ionen eines gelösten Materials verteilt und sie elektrisch durch einen Raum leitet - zur gegenüberliegenden Elektrode. Das "berüchtigte Problem", so JIANG, besteht darin, dass das im Elektrolyten verwendete Lösungsmittel aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Anionen und Lösungsmitteln in die Graphitschichten der Elektroden eindringen kann.

"Letztendlich führt diese Ko-Interkalation von Lösungsmitteln zu einer Exfoliation und Pulverisierung des Graphits bei hohem Potential, insbesondere bei den weit verbreiteten linearen Carbonat-Elektrolyten", sagte JIANG. Sie wies auch darauf hin, dass Hochspannungszyklen auch zur Oxidation von thermodynamisch instabilen Elektrolyten führen können. Bisherige Strategien, die sich auf die Verbesserung der Stabilität von Elektrolyten konzentrieren, haben das kritische Problem der Kointerkalation von Lösungsmitteln nicht wirksam angegangen.

Um Kointerkalation und Elektrolytkorrosion zu verhindern, mussten die Forscher die negativ geladenen Anionen vom Lösungsmittel abkoppeln. Ein praktikabler Ansatz besteht darin, die Solvatationsstruktur der Anionen zu regulieren, indem eine andere Komponente in den Elektrolyten eingebracht wird, die eine stärkere Wechselwirkung mit den Anionen aufweist als Karbonatlösungsmittel.

Die Forscher konzentrierten sich auf Hexafluorophosphat, eine anionische Komponente in Lithium-Ionen-Batterien. Sie verwendeten ein wichtiges Monomer mit quaternären Ammoniummotiven - die positiv geladen sind -, um eine Polymerelektrolytmembran zu entwickeln, die Anionen selektiv filtern kann. Das Ergebnis ist eine hervorragende Zyklenstabilität mit einem coulombschen Wirkungsgrad von 99 % bei hoher Spannung.

"Diese Strategie hemmt die Kointerkalation von Lösungsmitteln erheblich und erhöht die Oxidationsbeständigkeit des Elektrolyten, wodurch die strukturelle Integrität des Graphits gewährleistet wird", so der Autor der Arbeit, CUI Guanglei, Professor am QIBEBT, CAS. "Wir glauben, dass die Erleichterung der Anionendesolvatisierung entscheidend ist, um die Langlebigkeit von DIBs zu verbessern."

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